节省脱氮成本48% 这个污水厂是怎么做到的？
导 读：针对低碳氮比条件下城市污水处理厂碳源不足、生物脱氮成本费用较高的问题，以山东某城市污水处理厂为例，用某企业生产过程中产生的乙酸、乙酸钠及乙酸乙酯等短分子链类复合有机液替代葡萄糖作为碳源，并对其脱氮效果进行试验论证；分析缺氧池末端NO3--N与TN的相关关系，以大量数据为基础，建立缺氧池出口处NO3--N与TN控制比值。采取以上控制方法后，污水处理厂节省脱氮成本48%，污泥日均产量降低46%，取得了良好的经济效益。
引用本文：刘超，刘运东，王志刚，等. 低碳氮比条件下生物脱氮成本控制方法分析应用［J］. 给水排水，2022，48（12）：37-41.
1 工程概况
山东省某市政污水处理厂设计处理规模为3万m³/d，采用AAO工艺，出水TN指标执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）一级A标准。该厂进水工业废水占比40%，有机物含量低、可生化性差，绝大多数情况下，C/N为2.8左右，该厂2019年进出水水质见表1，具体运行参数如下：厌氧池、缺氧池和好氧池末端溶解氧（DO）分别控制在<0.2mg/L 、0.15~0.3mg/L和2~4mg/L，水力停留时间（HRT）分别为2.34h、4.56h、19.03h，硝化液回流和污泥回流均控制在100%，污泥龄为10~14d，pH在7~8，水温12~31℃。
表1 污水处理厂进出水水质
2 成本控制方法分析及应用
2.1 优化碳源
该污水处理厂在2019年使用50%液体葡萄糖作为外加碳源，细胞产率高，反硝化利用率低，导致运行成本偏高，产泥量大，经济性差，诸多研究表明，甲醇、乙醇、乙酸、丙酸等更小分子有机物效果优于葡萄糖，且产泥量低，将不同类型碳源对反硝化效果影响进行比较如表2。
表2 不同类型碳源对反硝化效果的影响
甲醇最为适用，但甲醇属于危险化学品管制药剂，且具有一定毒性，驯化周期长，使用管理不便，而乙酸或乙酸类有机产品价格较高，使得脱氮成本难以降低，而在其他许多行业生产过程中会有大量含乙酸或乙酸等短分子链类有机物质的废液经氧化处置后排放，造成有机资源的浪费，若该类有机废水能作为碳源使用，既可实现资源化，也能因其同当量价格远低于国标类产品从而降低污水处理厂脱氮成本。该污水处理厂以当地某制药企业生产过程中产生的含乙酸、乙酸钠及乙酸乙酯等混合类有机液体副产物作为碳源进行试验分析，其中乙酸、乙酸钠及乙酸乙酯含量分别为10.18%、16.36%、3.3%，主要指标COD=3.0×105 mg/L，BOD5=2.4×105 mg/L，pH=4.8，首先在试验室对该复合碳源的反硝化速率、起始投加浓度及脱氮效果进行研究，试验过程如下：
取缺氧池池进口及内回流污泥缺氧池污泥混合液各1L分别放入4个烧杯中，检测初始SCOD、MLVSS、DO分别为26mg/L、2 370mg/L、0.11mg/L，pH为6.9，3组烧杯中分别投加200、300、400mg/L的复合碳源，一组不投加作为对照组，使用六联搅拌机搅拌，由于复合型碳源显酸性，为防止反硝化反应的抑制，采用NaOH溶液调节初始pH控制在6.5~7.0，分别在0、10、20、30、60、120、240min时间检测TN、NO3--N、NO2--N，绘制不同浓度碳源投加下的反硝化过程，见图1。
从图1可以发现，该混合类有机液作为复合碳源后，生物脱氮效果良好，反硝化速率快，碳源浓度足够的情况下，反应30min内NO3--N的去除率
图1 不同浓度碳源时反硝化中氮的变化
在95%以上，随着反应的进行，乙酸乙酯类反硝化速率低的物质起了主要作用，因而有了反硝化速率的减低和TN降解的变化。另外，图1中反应时间在30min时存在一个 NO3--N拐点，结合NO2--N和TN变化情况，认为脱氮的途径并不仅有“NO3-→NO2-→NO→N2O→N2”一种，据研究表明城市污水处理厂存在复杂的微生物群落结构和氮素转化途径，而厌氧氨氧化菌普遍存在各个单元，但菌群丰度较低，在30min节点，环境中有机物浓度极低，此时厌氧氨氧化作用显著，造成30min后的N素趋势图，因为在环境中存在少量有机物时，厌氧氨氧化菌无竞争优势，所以这也间接说明了该复合碳源的反硝化速率快。
根据试验结果，污水处理厂从4月12日开始使用该复合碳源投加，选择起始投加浓度为300mg/L，一次性全部替换葡萄糖，投加点选择在缺氧池进口段，根据实际水质情况及时调整，对脱氮效果进行持续观察，发现污泥对该复合碳源适应性强，出水TN指标从当天开始连续一个月稳定达标，同时统计每天污泥浓度变化及脱泥量，见图2。
图2 2019年和2020年污泥浓度及日脱泥量对比
从图2可以发现，2019年4月、5月投加葡萄糖作为外加碳源，日均脱泥量41 t，污泥浓度维持相对稳定，2020年4月、5月投加复合碳源作为外加碳源，日脱泥量与2019年基本不变的情况下，污泥浓度逐步下降，日均脱泥量调整为22t后，污泥浓度稳定在5 000~5 500mg/L，通过以上对比，可从实际结果上量化该复合碳源能降低产泥量46%。
2.2 增加工艺控制点
在AAO工艺的缺氧池末端出水TN在经历反硝化作用变成氮气后，剩下的TN一部分以NO3--N形式存在，根据反硝化程度，NO3--N的占比不同，在工艺稳定、进水内部碳源不足的情况下，反硝化程度主要受到外加碳源量的影响，所以碳源投加量可以控制生化池的反硝化脱氮程度，而使得缺氧池末端NO3--N/TN是在一个相对稳定的范围，以NO3--N作为出水TN的工艺控制点，在缺氧池末端安装在线硝态氮仪表，检测缺氧池出口NO3--N，可实现碳源投加精细化控制，节约成本。选择在缺氧池末端主要有以下两个优点：一是能够及时表现缺氧池反硝化效果，反馈到出水TN的控制；二是具有及时调控性，由于复合碳源的反硝化速率快，在反硝化能力不足的情况下，增加投加量能够快速达到脱氮效果。
该厂2020年4月底在#1生化池安装在线硝态氮仪表，经过1个月的数据积累观察，绘制如图3。
图3 缺氧池末端NO3--N/TN比值
此过程中，5月15日开始进水氯离子浓度升高，由800mg/L上升至1 400mg/L，对硝态氮仪器产生一定干扰，5月28日手动调整氯离子补偿后恢复。从图3数据可以看出，在工艺稳定的情况下，NO3--N/TN是在相对稳定范围内，所以可以从硝态氮仪器数据及时掌握目前TN指标数据，从而调整碳源的投加，该水厂出水口TN出水控制在9~12mg/L范围内。
3 经济效果评价
该水厂自4月12日开始采取上述两项控制方法，实施精细化投加，截至7月20日共100 d，在此阶段记录每日的药剂用量、处理水量及进出水质指标数据，与去年同期使用葡萄糖时对比，以单位水量碳源成本费用I（元/t）作为经济评价指标，见表3。
表3 成本控制方法应用前后碳源经济对比
式中 I——单位水量成本，元/m³；
M——碳源使用量，kg；
P——碳源单价，元/t；
W——处理水量，m³。
控制方法应用后，碳源成本费用I应用后=（944 506×800）/（2 077 296×1 000）=0.364（元/t）。
控制方法应用前，碳源成本费用I应用前=（1 107 460×1 419）/（2 250 776×1 000）=0.698（元/t）。
成本降低比例为：100%×（0.698-0.364）/0.364=48%。
该厂实施策略后，出水TN指标控制值提高，在工艺和水质基本相同的条件下，使得生物脱氮的吨水成本降低48%，经济效果明显。
4 结论及建议
乙酸、乙酸钠等短分子链类的混合有机液在医药、染料、农药等多行业生产的副产物或废液中存在，市场价格远低于同COD当量的国标类有机碳源，该类短分子链混合有机液作为碳源，脱氮效果良好，且产泥量少、反硝化速率快，在实际工程应用中可以进行推广，同时在缺氧池末端增加NO3--N工艺控制点，长期观察累积NO3--N与TN数据，建立相对稳定比值关系，可实现碳源的精准投加和出水TN指标的稳定控制，以上可使得在低C/N的条件下，市政污水处理厂能降低生物脱氮成本。但需要注意的是，如果使用的是有机废液作为碳源，需要满足当地政府部门的管控要求，也要对这类非国标类碳源中的其他物质，如总氮、总磷、重金属等进行全面的检测，避免不利影响。长期投加短分子链类的混合有机液作为碳源，具有产泥量少的优点，但这也是污泥性状不及投加糖类有机营养物良好的原因，表现在污泥沉降性变的相对较差、镜检中的微生物明显变少，建议在使用该类碳源产品时，参杂投加适量糖类作为营养物培养微生物，维持良好污泥性状，提高沉降性。
